小小球，大作為——球形氧化鋁
電子設備小型化對散熱性提出更高要求，熱界面材料（TIM）在其中起關鍵作用，球鋁具備高性價比常作為導熱填料應用到熱界面材料中改善導熱性能。新能源車高景氣發展以及熱管理重要性進一步催生熱界面材料應用，帶動相應球形氧化鋁等導熱填料需求。在眾多導熱材料中，氧化鋁雖然不是導熱能力最強的填料，但其來源廣泛、價格低、且在聚合物基體中填充量大，具備高導熱、低填充粘度、高性價比的優異特性，因此球形氧化鋁已然成為了“明星材料”。
引言
氧化鋁是一種白色固體材料，它無臭、無味，易吸潮而不潮解，是典型的兩性氧化物，幾乎不溶于水和非極性有機溶劑，熔點高達2054℃。 由于氧化鋁這些獨特的性能，使得市場對氧化鋁的需求量非常龐大。 氧化鋁粉體微觀性能影響其制得產品的宏觀性能。 在眾多氧化鋁粉體中，均勻的單分散球形顆粒由于不易團聚，球形顆粒間的致密均勻的孔隙可有效抑制不均勻晶粒生長，且其形貌規則，比表面積較小，堆積密度大流動性好，能夠極大提高成品的應用性能。因此，球形氧化鋁的制備成為氧化鋁粉體材料研究的熱點之一。其中球形氧化鋁因其具有高熱導率、高電阻率、低介電損耗、性價比高等眾多優勢，被廣泛地應用和研究，而球形填料更有助于發揮導熱填料的熱傳導功能，因此目前市場上用得較多的導熱填料主要是球形氧化鋁。
為什么追求“球形化”
2.1 形貌結構
來源：熱管理材料
我們知道幾何上相同體積下球體的表面積最小，因而球鋁的比表面積注定小于角鋁。以常規的5微米粉體為例給大家展示球鋁這方面的優勢。從下表中看出相對于5微米的角鋁，球鋁的比表面積下降幅度達38%！伴隨著比表面積的下降，應用到高分子樹脂中時粘度也會隨之下降。
2.2 為什么球鋁表現這么好？
除了上述的比表面積，粒子形狀也有影響。含有導熱填料的導熱膠在流動時，內部的填料也一直在進行旋轉運動，因而粒子的形狀影響很大。形狀越是偏離球形，影響就越大，因為旋轉不同形狀粒子所需的空間大小不同。而想獲得更高的導熱率就需要填充更多的填料，那么形狀帶來的影響將會進一步加大，表現為更高的粘度。因此球鋁才表現這么優異。
球鋁的制備方法
氧化鋁粉體顆粒的形貌與粒徑分布會直接影響其在眾多領域的應用性能。相對于常見 的不規則、纖維狀或片狀形貌的氧化鋁顆粒，球形氧化鋁粉體因其規則的形貌、更高的堆積密度、更小的比表面積與好的流動性等優勢，可以更好提高產品的應用性能。因而，制備高球形度、粒徑分布窄且分散好的氧化鋁粉體一直是人們研究的熱點之一。球形氧化鋁粉體材料的制備方法不同，則生成產物的性質也不盡相同。為滿足市場對不同性質產物的需求，使用了不同的方式來合成球形氧化鋁。目前，球形氧化鋁粉體的制備方法主要包括均相沉淀法、溶膠－凝膠法、滴球法、模板法與噴射法等。
3.1 均相沉淀法
沉淀法是在溶液中借助合適的化學反應，通過控制產生沉淀所需的離子，使其在溶液中慢慢形成晶核，再聚集長大，并逐漸從溶液中析出的過程，這個過程一般是非平衡態的。如果降低均相溶液中待沉淀離子的濃度，形成晶核的速度也會變得緩慢， 同時得到的沉淀顆粒的粒徑較小，并可以均勻的、長時間的分散在溶液中，維持一種平衡狀態，該方法即為均相沉淀法。
3.2 溶膠-凝膠法
溶膠-凝膠法制備球形氧化鋁主要是以金屬醇氧化合物或有機金屬前驅體所得溶膠的相變為基礎。通過在溶液中合成含有懸浮粒子的溶液，經低溫聚合形成濕凝膠，進而干燥凝膠除去溶劑，經一系列的熱處理后得到產物。如今，大多學者都將溶膠-凝膠法與乳液法相結合，來制備形貌更好的球形氧化鋁
3.3 滴球法
滴球法制備球形氧化鋁是在溶膠-乳液-凝膠法的基礎上加以改進，將乳液法的工藝技術用于老化階段，而產物氧化鋁直接進入油層，通過表面張力形成溶膠，然后放入氨水溶液中形成凝膠，最終進行干燥煅燒處理，獲得球形氧化鋁粉體顆粒。其工藝流程如下所示：
3.4 模板法
模板法制備球形氧化鋁是以具有球形形貌的膠體粒子作為前驅體的核模板，經歷組裝、吸附、溶膠凝膠作用、沉淀反應等一系列的過程，在核模板外包裹一層核/殼結構微球，再利用溶劑溶解核或者高溫煅燒的方法去除掉核模板，最終獲得微球。
3.5 噴射法
來源：三種制備球形氧化鋁粉體工藝研究
球鋁的行業分析
熱界面材料根據其特性一般可以分為導熱硅脂、導熱墊片、相變導熱材料、導熱膠、導熱灌封膠、導熱膠帶等。一般熱界面材料主要以樹脂為基體，但一般樹脂基體熱傳導率不佳，所以需要按照各類需求填充導熱填料調節熱導率從而滿足各類產品的導熱要求。導熱填料的熱導率一般高于基體材料幾十倍，其種類、搭配以及表面改性等方面對熱界面材料的可靠性能有重要影響。氧化鋁綜合性價比高被廣泛應用到導熱填料中，熱界面材料占氧化鋁下游應用的 48%。
熱界面材料占氧化鋁下游應用的48%（來源：QYResearch、中泰證券研究所）
4.1 行業分析
在全球雙碳背景下，新能源車進入爆發式增長階段，滲透率迅速提升。電池作為提供動力的核心部件，是新能源汽車的“心臟”，在整車成本中占比 40%以上。電池技術的發展、性能的提升是決定新能源車實現長久發展的核心動力。隨著新能源車滲透率快速增長，產業鏈的健康發展以及疫情的有效控制，中國動力電池市場將會持續成長。新能源汽車高景氣帶動導熱用球形氧化鋁超預期發展，預計至 2025 年全球新能源汽車用球形氧化鋁市場規模為 60.5 億元。2020 年 QYResearch 曾發布數據， 2019 年全球導熱用球形氧化鋁市場規模為 1.3億美元， 2026 年有望達到 2.2 億美元， CAGR 為 8.9%，且國內供應占全球 52.5%。
球形氧化鋁市場規模，來源：開源證券
但近幾年新能源汽車行業的快速發展帶動了市場空間的增長，根據中泰證券電新組研究報告《電解銅箔知名企業，技術優勢明顯（20221114）》 對新能源汽車銷量的測算，預計至 2025 年全球新能源汽車銷量將達到約 2015 萬輛，其中國內預計約 957 萬輛，海外預計約 1057萬輛。
新能源車用球形氧化鋁市場規模預算（來源：壹石通公告、中泰證券研究所）
4.2 代表性企業
目前國內主要涉及球形氧化鋁的廠家主要有雅安百圖高新材料股份有限公司，天津澤希新材料有限公司，天津澤希新材料有限公司、山東國瓷功能材料股份有限公司、廣東宇星阻燃新材股份有限公司、廣東宇星阻燃新材股份有限公司、蘇州錦藝新材料科技有限公司、
安徽壹石通材料科技股份有限公司，河南天馬新材料股份有限公司等。（企業排名沒有先后順序）
（1）雅安百圖高新材料股份有限公司
雅安百圖高新材料股份有限公司專注于提供功能性粉體材料，是國內較早通過自主設計并利用核心設備生產制造球形氧化鋁的高科技公司。主打產品有球形氧化鋁、類球形氧化鋁、氮化鋁原粉、球形氮化鋁、氮化硼等導熱粉體材料，以及鎳包石墨、銀包鎳等電磁屏蔽粉體材料。
（2）天津澤希新材料有限公司
天津澤希新材料有限公司成立于2020-07-27，所屬行業為化學原料和化學制品制造業，經營范圍包含：新型陶瓷材料銷售；隔熱和隔音材料銷售；新能源汽車換電設施銷售；高性能密封材料銷售；電子專用材料研發；磁性材料銷售；新興能源技術研發；電子專用材料制造；合成材料制造（不含危險化學品）；特種陶瓷制品制造。
（3）江蘇聯瑞新材料股份有限公司
江蘇聯瑞新材料股份有限公司致力于成為全球領先的工業粉體材料應用方案的供應商。我們圍繞客戶的需求持續創新，與合作伙伴開放合作。我們致力于為電子材料、電工絕緣材料、特種陶瓷、精密鑄造、油漆涂料、膠粘劑、功能性橡膠、塑膠、高級建材以及其他功能性應用提供有競爭力的解決方案和服務，為客戶創造價值。
（4）山東國瓷功能材料股份有限公司
山東國瓷功能材料股份有限公司是一家專業從事功能陶瓷材料研發和生產的高新技術企業，成立于2005年4月，2012年1月在創業板上市。主要產品包括：納米級鈦酸鋇及配方粉、納米級復合氧化鋯、高熱穩定性氧化鋁、氮化鋁、蜂窩陶瓷、噴墨打印用陶瓷墨水、陶瓷球及陶瓷軸承等，產品被廣泛應用在電子信息和5G通訊、生物醫療、汽車及工業催化等領域。
（5）廣東宇星阻燃新材股份有限公司
廣東宇星阻燃新材股份有限公司位于廣東省豐順縣，創建于1998年。作為一家新型高新技術企業，致力于環保高效新型阻燃產品的技術研發、生產和銷售。公司憑借資源、管理及人才優勢整合銻礦山、冶煉、深加工為一體的全產業鏈，公司擁有礦山、冶煉廠、銻加工廠、各類阻燃劑生產線，以及年產量7000噸以上的“源通”牌高品質環保氧化銻生產線， 35000噸以上“源通”牌環保高效阻燃劑生產線，是目前國內集采、選、冶、技術研發到合成高分子阻燃材料的一體化新型阻燃材料公司。
（6）鄭州玉舟新材料有限公司
鄭州玉舟新材料有限公司致力于為國內外廣大用戶提供優質的研磨材料、耐火材料等產品。 公司主要產品：高純白剛玉、低鈉白剛玉、白剛玉、棕剛玉、碳化硅、多品種氧化鋁等系列產品；廣泛應用于高精研磨、耐火材料、冾金爐料、拋光噴砂、陶瓷新材料等眾多工業領域。
（7）蘇州錦藝新材料科技有限公司
蘇州錦藝新材料科技股份有限公司于2005年創立，致力于提供高端無機非金屬粉體新材料應用解決方案，是一家集研發、生產、銷售、技術服務為一體的國家級高新技術企業。公司聚焦客戶關注的壓力和挑戰，挖掘無機非金屬材料的潛能，通過獨有的核心技術和核心優勢，融合各種有機材料，提供優異功能和低成本分體解決方案，大力拓展在新能源、新材料、環保節能等快速發展領域的應用。
（8）安徽壹石通材料科技股份有限公司
安徽壹石通材料科技股份有限公司成立于2006年1月，于2021年8月17日在上海證券交易所科創板上市，目前注冊資本2億元。公司主營產品包括新能源鋰電池涂覆材料、電子通信功能填充材料、低煙無鹵阻燃材料等三大類，均為保障新能源鋰電池主動安全、熱管理安全以及電子通信安全的關鍵材料。
（9）江蘇聯瑞新材料股份有限公司
江蘇聯瑞新材料股份有限公司致力于成為全球領先的工業粉體材料應用方案的供應商。我們圍繞客戶的需求持續創新，與合作伙伴開放合作。我們致力于為電子材料、電工絕緣材料、特種陶瓷、精密鑄造、油漆涂料、膠粘劑、功能性橡膠、塑膠、高級建材以及其他功能性應用提供有競爭力的解決方案和服務，為客戶創造價值。
（10）河南天馬新材料股份有限公司
河南天馬新材料股份有限公司為國內領先的高性能精細氧化鋁粉體供應商。公司成立于2000年9月，長期專注于先進無機非金屬材料領域，是國內較早具備自主研發和生產高性能精細氧化鋁粉體能力的企業之一。
總結
未來如何在基體中實現填料更高的堆積密度、構建更連續的三維網絡熱傳輸通路一直是提高聚合物材料熱導率的關鍵問題。如何對氧化鋁填料表面修飾需要選取合適的改性劑才能實現，改性的過程使制備過程復雜化；不同粒徑的填料混合以及將其與其他填料復配時，填料的形貌、不同類型填料的配比、填料在基體中的取向等均會對形成 的連續熱通路產生影響 。因此，利用性價比高的氧化鋁填料改性聚合物材料的熱導率時， 如何簡單、 有效的構建低熱阻、高連續的熱傳輸通路仍是限制電子封裝材料發展的關鍵問題之一 。隨著新能源汽車和5G行業熱管理領域對高端導熱填料的需求正處于上升和爆發期，作為導熱核心材料的球形氧化鋁市場需求火熱，前景廣闊。
參考資料
[1]Ceramics International,Thermally conductive hexagonal boron nitride/spherical aluminum oxide hybrid composites fabricated with epoxyorganosiloxane（2022）。
[2]Progress in Materials Science,Hexagonal boron nitride nanosheets: Preparation, heat transport property and application as thermally conductive fillers（2023）。
[3]中國粉體工業，球形氧化鋁的制備研究及應用前景分析（2021）。
[5]硅酸鹽通報，球形氧化鋁粉體制備的研究進展（2021）。
[6]無機鹽工業，球形氧化鋁制備過程中影響因素的研究（2006）。
END
工程師必備
- 項目客服
- 培訓客服
- 平臺客服
TOP
